干旱区春灌前后土壤典型控盐因子动态演化特征

张瑜瑜，栗现文

（1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100）

水资源短缺和土壤盐渍化是干旱区农业可持续发展面临的两个主要问题。我国西北干旱区气候干燥，蒸发强烈，降水稀少，以新疆南部库尔勒地区为例，其多年平均降水量仅58.6 mm[1]，蒸降比极大，对盐渍化风险尤为敏感。膜下滴灌可防止灌水深层渗漏，而这也使盐分具备了在土壤浅部积聚的条件。栗现文等[2,3]的研究表明，微咸水膜下滴灌生育期结束后会存在大量影响下一期棉花出苗的盐斑，为可持续利用微咸水，采取有效措施调控土壤水盐状况成为微咸水安全利用的基础[4]。田间气象特征、土壤水分运动及重分布、地下水位水质等对土壤剖面盐分分布具有重要影响，这些控盐因子漫灌前后的动态演化过程直接决定着田间土壤盐分的空间分布特征。春季漫灌会造成地下水位大幅抬升，当地下矿化度较高且水位较浅时，毛细水上升作用，是土壤次生盐渍化的重要诱因[5]。因此，对漫灌前后土壤控盐因子动态演化特性进行系统分析，是田间土壤盐分调控的重要基础，具有重要理论与实际意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设有新疆塔里木河流域巴音郭勒管理局水利科研所，为国家水利部重点灌溉试验站，耕地面积8000 余亩，位于典型干旱区新疆巴音郭楞蒙古自治州首府库尔勒市境内，在该市经济技术开发区西尼尔镇以南3 km 处，距市区23 km。地理坐标东经86°10′，北纬41°35′，为天山南麓塔里木盆地边缘孔雀河冲积平原带，地势平缓，海拔900 m 左右；属暖温带大陆性荒漠气候，干旱少雨，蒸发强烈，昼夜温差大，多年平均降水量58.6 mm，年最大蒸发量2788.2 mm（E20 蒸发皿），年平均风速2.4 m/s，最大风速22 m/s，年平均气温11.5℃，最低气温-30.9℃，最高气温42.2℃，无霜期191 d。灌溉用微咸地下水溶解性总固体（TDS）2.4 g/L 左右，漫灌洗盐用河渠淡水TDS 为0.6 g/L 左右。试验田以壤土（美国农业部土壤质地分类）为主[15]，土质较均一，砂粒、粉粒和粘粒含量分别为46.81%、45.96%和7.23%，干密度为1.63 g/cm3。地下水位埋深在5.8 m左右。

1.2 研究方法

1.2.1 漫灌洗盐设置

试验区自2008 年起，部分田块已连续8 年采用微咸水进行膜下滴灌，为控制田间土壤盐分均采用在非生育期漫灌方式淋洗盐分。本研究在2016 年4 月29 日至4 月30 日持续开展淡水漫灌洗盐实验。为增加可控性及避免对大田实际生产造成影响，试验采用田间打埂方式圈定10 m×10 m 小区，埂高25 cm左右。参照大田漫灌定额，确定试验小区漫灌量为200 m3/亩，即300 mm。

1.2.2 土壤样品采集与测定

用土钻采取不同深度分层土样，每10 cm 采集一组。其中，取样深度为100 cm（设定作物对水盐最大潜在利用深度位100 cm）和60 cm（生育期滴灌主要影响范围）的随机采样点各18 个，单次采集288 组，6 个监测日共采集1728 组土样（漫灌前：4 月26 日；漫灌后：5 月6 日、5 月10 日、5 月15 日、5 月20 日及6月14 日。将采集土壤样品烘干后测定含水率。

1.2.3 气象监测

为明确灌水洗盐至播种前气象条件，利用Davis Vantage Pro2 自动气象站采集气象数据，数据采集间隔为1 小时，主要监测项目有：降水、空气温湿度、风向、风速、太阳辐射等。

1.2.4 地下水动态监测

布设地下水位监测井，采用Levelogger 采集地下水位信息。

2 结果与分析

2.1 气象要素变化特征

选取2016 年4 月至2016 年6 月采集的相关气象监测数据，开展播前漫灌前后气象因子动态变化特征分析。潜在蒸发量ET0（mm/h）根据国际粮农组织FAO 推荐的Penman-Monteith公式计算[6]：

式中，ET0为参考作物潜在蒸散发量，mm/hour；Rn为植被层净辐射，MJ/m2；G 为土壤地热通量，（MJ/m2）/hour；Thr为小时平均气温，℃；△为气温在Thr时的饱和水汽压梯度，kPa/℃；γ 为干湿球常数，kPa/℃；e0(Thr) 为气温为Thr时的饱和水汽压，kPa；ea为小时平均实际水汽压，kPa；u2为小时平均风速，m/s。各变量的详细确定方法见文献[16]。基于监测田间气象站监测频率计算ET0，日内求和得出当日潜在蒸发量。

ET0与气温和太阳辐射的动态变化趋势基本一致，5 月份开始逐渐增大，4、5、6 月日内Ep均值分别为3.0 mm、3.8 mm 及5.8 mm，4 月～6 月累计为386.2 mm。监测期降水量较小，4 月～6 月累计降水量为31.7 mm，次最大降水量13.1 mm。潜在蒸发强度远大于降水影响，蒸降比为12.2。因此，在气象因子作用下，灌水结束后田间土壤蒸发强烈，是促进盐分随蒸发向表层迁移的重要条件。

图1 2016 年漫灌前后气象因子动态变化

2.2 剖面土壤含水率动态变化特征

对监测小区0 cm～100 cm 取样点各层位体积含水量进行统计分析，不同监测时间剖面土壤水分动态变化如图2 所示，其中40 cm～60 cm 土壤含水量数据离散性相对较大。在试验区采用围框法测定的田间持水率为27.1%[7]。为度量剖面土壤水分的数量变化，采用土壤水储存量作为指标进行计算，其在数值上为土壤体积含水量分布函数θ(z,t)在作物潜在可利用深度上的积分[8]：

式中，W(t)为t 时刻的土壤水储存量，mm；z 为垂向坐标，地面为0 点；d 为作物潜在可利用深度（此处为绝对值），mm。本研究实测各深度土壤体积含水量为对应土层的平均含水量，其分布如图2 所示。采用分段计算求和后，可得不同监测时间土壤剖面储存量变化（表2）。

为比较不同深度范围各层位在不同时刻土壤水储存量变化，根据式（3），本研究定义δ 为土壤水储存变化强度这一指标（物理意义等同于这两个时刻土壤含水率变化的均值，无量纲）：

式中符号意义同前，t1,t2为选定比较的两个时刻，t2＞t1。

漫灌前土壤含水量较低，漫灌后第6 日含水率在各层位均有大幅增加。但在土面蒸发和深层渗漏作用下，随时间变化，除100 cm 深度外，剖面含水量呈不断降低趋势。灌后100 cm 深度在灌后20 日基本维持在0.37 左右，仅在灌后20 日～45 日略有降低，而田间实测饱和水量约为0.4，表明其受土面蒸发作用影响较弱，应接近土壤剖面不受蒸散发影响的最深零通量面位置。

从随时间变化水分分布动态及剖面土壤水储存变化量看，灌后6 日～10 日，100 cm 以上各土层含水量均有大幅降低。值得注意的是，在漫灌后45 日（6 月15 日）水分剖面分布与漫灌前（4 月23 日），在40 cm～90 cm 有较好的一致性，即在持续蒸发作用下达到剖面水分的近似稳定状态；而0 cm～30 cm 土壤水分小于灌前，与气象条件有一定关系，漫灌前的冬春季节有部分降水，而气温与太阳辐射均相对较低，潜在蒸发作用较弱，冻土状态有利于水分保持；而漫灌后蒸散发作用逐渐增强，表层土壤水分的散失也就更为强烈。

（数据点为同一层位均值，误差棒为标准差）

表2 2016 年漫灌前后不同监测时间剖面土壤水储存量（mm）

2.3 春灌期地下水位水质动态变化

利用三参数水位计采集的地下水位、水质及温度数据，可获取春季漫灌时段各地下水相关因子的动态变化（图3）。综合分析来看，地下水对漫灌是有近似即时响应的，而地下水位介于5.83 m～6.2 m，在监测时段内并未表现出明显的滞后响应，这应归因于田间非饱和带是存在优先流对地下水补给的，但田间地下水动态还是受控于区域地下水流场变化。

图3 漫灌时段地下水位、水质及温度变化

3 结论

本文对漫灌前后监测时段（计45 日）的控盐因子：气象要素、剖面土壤含水率与地下水位、水质动态进行系统分析，主要得出以下结论：

（1）气象要素动态显示，试验时段（2016 年4 月～6 月）气温与太阳辐射均波动性较强，太阳辐射从5 月中下旬开始有大幅增加，气温和太阳辐射的大幅增加对出苗及苗期生长较为有利。潜在蒸发量ET0与气温及太阳辐射的动态变化趋势基本一致，远大于降水影响，蒸降比达12.2，气象因素表层盐分运移的重要驱动因子。

（2）40 cm 处土壤容重较大，持水性相对较好。

（3）地下水位处于蒸发最大影响深度以下，在播前非生育期不存在潜水蒸发返盐对表层土壤盐分的作用。